防止「單吊環起鑽」自動控制裝置的製作方法

2023-05-12 00:21:51 1

專利名稱：防止「單吊環起鑽」自動控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明裝置可用於鑽井用的鑽機上，例如地礦、鹽業特別是石油部門的油氣井鑽探作業中。
起下鑽是鑽井工作中一種經常性的、工作時間長的、勞動強度大的聯合作業，由於司鑽或井口工人的操作失誤，就會在剛剛起鑽上提時發生所謂的「單吊環起鑽」事故。據有關資料統計該類事故在實際工作中發生的機率是較大的，其經濟損失輕者數千元，重者將導致井廢人亡-損失上百萬元的惡果發生。目前的防止對策只是人為地不斷提高工作責任心和操作技術水平，但這畢竟會有所失的。
然而，本發明的目的是要提供一種自控裝置，它能夠有效地防止掛「單吊環」(以及掛「危險吊環」)起鑽事故的發生。
本發明的目的是這樣實現的原鑽機的壓縮氣源經由驅動電磁閥與剎車執行機構(即防碰天車裝置)相連接，當一旦發生了掛「單吊環」(以及掛「危險吊環」)而起鑽時，裝在大鉤上的調製紅外線發射機(25)就立刻發出信號來，與此同時，裝在司鑽操作箱上的接收機收到信號，並經處理後使驅動電磁閥開啟，壓縮空氣進入剎車執行機構中(起作用)，達到自動控制的目的。
本發明裝置由於採用了「與非門」邏輯電路，調製紅外線遙(傳)控的先進技術和利用了原來鑽機上所具有的「防碰天車」剎車執行機構，故其工作可靠，結構也較為簡單，便於實施。
本發明裝置的具體結構由以下的原理分析及其附圖給出。
一、控制原理分析從

圖1的原理方框中可以知道本自動控制裝置由a、單(危)吊環檢測與非門判斷和調製紅外線遙控發射機(25);b、調製紅外線遙控接收機及驅動執行部分;c、原來鑽機所具有的「防碰天車」裝置執行氣路等三大部分組成。將它們分別安裝在吊環(15)大鉤、司鑽操作箱上，而執行部分就不需另行設置了。
1.單(危)吊環檢測與非門的三態分析經實際觀察分析在起鑽時兩隻吊環共有三種工作狀態a、正常吊環起鑽，當司鑽給氣上提時，兩隻吊環(15)都掛入了吊卡的耳梁內，且均就位於耳梁的凹部。
b、掛單吊環起鑽，很明顯這就是指只有一隻吊環(15)被掛入了吊卡的耳梁內而進行的起鑽。
c、掛危險吊環起鑽，兩隻吊環(15)雖然都已經掛入了吊卡的耳梁內，但在給氣上提到一定噸位之後(一般指的是，提升力≤大鉤行程彈簧的噸位)，其吊環(15)的一隻甚至是兩隻仍不能夠自行滑向耳梁的凹部-即不就位，這就定義為掛危險吊環起鑽，因為它在繼續上提的過程中，有大的可能會發生脫環事故。
在電氣原理圖2中，R1、K3、K4和K2四者相串聯就構成了三極體BG1的偏置迴路，同時它們也就是所謂「與非門」的輸入端子。其中K1是偏置(限流)電阻;K3(K7)(29)是由吊環「間隙器」(30)所控制的「常開」微動開關，它在僅有吊環的自重W時呈斷開狀態;K4(K8)(29)與K3(K7)(29)相同;K2就是所謂的「吊環限距開關」(31)，它具體反映在圖2中的a和b兩點。[當其在兩隻吊環(15)的水平距(指某一定尺寸的吊卡時)S值正常時，K2呈接通-指機械式的(或者是RD3≤10KΩ-指直流紅外線式的);反之，當S值過大時，K2就呈斷開(或者是RD3→∞)]。
另由圖8可以看出當吊環(15)在僅有自重W時，它將被「間隙器」(30)懸掛起來，使之與大鉤的耳環之間形成一個可以調節的間隙-δ，這時的檢測用雙聯微動開關K3(K7)(29)及其K4(K8)(29)均呈「常開」狀態。但在起鑽剛開始時，δ最大，隨著大鉤的上提，某一隻吊環(15)對懸掛它的那隻「間隙器」(30)的向下作用力T將逐漸增大，因之δ變小;當δ小到一定值時，檢測開關K3(K7)(29)及K4(K8)(29)就被觸動而接通。
2.三態檢測的「與非門」邏輯判斷電原理a、正常起鑽時，由前面的分析可知，此狀態下的三極體BG1的偏置(與非輸入)迴路中K3、K4和K2均能接通(或者是K2的RD3≤10KΩ);因此，BG1管將飽和導通，其c-e極間阻抗很小，這樣它就把三極體BG2的基極電流(由R2所提供的)旁路掉了，即是Ib2≈0。故複合管BG2、BG3呈截止狀態。(如圖2所示)然而，此時的電源EB的正端經由K7〃K8而到達BG3的C極，但因BG3的截止之故，VAB＝0V，也就是說，「與非門」(由BG1、BG2和BG3等元件組成的)沒有正電平輸出，紅外線調製發射機(25)得不到電源，不工作。
b、掛單吊環起鑽時這時不論是K3(K7)或者是K4(K8)中的哪一隻開關相對應的吊環(15)未被掛入吊卡的耳梁內，由圖2可知，BG1的Ib1＝0，故其截止，c-e極間呈開路狀態。這時候因為有R2向BG2提供偏流Ib2，BG2和BG3將飽和導通。
所以電源EB的正端經由K7或者是K8，再通過BG3的c-e而輸入出正電平VAB≈3V。紅外線調製發射機(25)就通電等K6的觸發！K6(23)實際上是一個由大鉤行程的X/4所控制的「常閉」按鈕開關(X一般取值為1～2)。在剛起鑽上提時，大鉤內的彈簧逐漸壓縮，然而在外面看起來則是大鉤行程的被拉開。當其拉開到≥預先調定值(即指X/4行程)時，K6(23)按鈕因失去外力的壓迫作用而復位-即轉變為原來的「常閉」狀態。K6(23)的閉合就觸發發射機(25)發出一個紅外線調製信號來。
c、掛危險吊環起鑽時此時的K3(K7)和K4(K8)均能接通，但因S值過大於正常值，故K2(31)將為不通(或是其RD3→∞)致使Ib1≈0;BG2、BG3就呈導通。即發射機(25)通電等待K6的觸發，其工作原理同前面b所述，不再重複。
「與非門」邏輯判斷真值表見圖7。
值得說明的是，每隻吊環(15)的重量W取為150kg算;把δ調節在18mm左右，而且把「間隙器」(30)的彈簧(其性能製成T≥W+F(F＝50Kg)時，δ→0;又因為大鉤的全行程為200mm，相應的最大彈力取為8000Kg，按X＝1來作試驗計算得觸發開關K6(23)是由200×1/4＝50mm(相應彈力為-2000Kg)行程距離來觸動控制的，而後還將有200-50＝150mm(或6000Kg彈力)的剩餘行程。
也就是說在上提時當每一隻吊環(15)所受的負荷大於F(即50Kg)值時，δ變小且→0，同時K3(K7)(29)、K4(K8)(29)也就分別起作用了。但是K6(23)卻要等到兩隻吊環(15)的總負荷達到2000Kg(即行程被拉開到50mm)時才被觸動，如果這時的吊環是屬於不正常工作狀態(指掛的單吊環或危環)，那麼就要發射出調製紅外線信號來。
與此同時，a、大鉤仍在繼續上行;b、接收機收到遙控信號驅動電磁閥及「防碰」氣路元件正在執行緊急停(剎)車動作。
把K6(23)預定在較大噸位(如2000Kg)才起作用a、是避免剛剛上提時大鉤的擺動產生發射機(25)的誤觸發;b、大鉤的所剩餘150mm行程(或6000Kg彈力)若要將之也拉開完，是需要有一段時間ta來完成的;c、自K6(23)動作並發射出信號起到把車停(剎)住同樣要需要一個時間過程tb。
結論綜上所述，當發生不正常吊環起鑽時，a、吊環負荷≥100Kg時，發射機(25)的電源自動接通;b、當大鉤負荷增加至≥2000Kg時，K6(23)動作發射出調製紅外線遙控信號-停(剎)車裝置立刻動作，並由ta的延時緩衝作用-裝置能夠在大鉤只有較小的負荷(甚至在大鉤的行程彈簧還未被全部拉開之前)時把車停(剎)住。
2.紅外線調製信號發射機(25)電原理如圖2所示，由集成塊CD4011和外圍元件組成了38～40KHZ的方形波振蕩器，從其第11腳輸出方波並直接去激勵三極體BG4。因此，紅外線發射管就輸出方波所調製的信號波。其中的電位器W是微調振蕩頻率用的，六隻紅外線發射管D4～D9並聯接入BG4管的集電極迴路中。但是D6～D9以互成60°的夾角被安裝於大鉤的周圍，以保證接收機能夠在大鉤發生迴轉時，正常地接收信號波。圖3是M1∶1的印刷電路板。
3.調製紅外線接收機(25)原理a、接收機(25)如圖5所示，當紅外線感光二極體D1(PH302)接收到發射機(25)射出的調製信號以後，直接輸入μPC1373H集成塊的第7腳經過放大和L、C3的調諧後，第1腳輸出負脈衝(低電平)信號。(注在平時沒有收到調製紅外線信號的情況下，第1腳的電平值約為6.3V左右。而當接收到信號時，第1腳就突變為約0.56V左右的低電平-即負脈衝信號)。
b、驅動執行部分由μPC1373H的第1腳所輸出的負跳脈衝信號能夠通過二極體D2加到驅動三極體BG的基極，使其飽和導通。這樣可控矽ScR的控制極G就因得了一個觸發正電平而導通，並維持自鎖，它使執行電磁閥開啟-把停(剎)車執行氣送入圖1換向閥2-剎車氣缸(進氣)中的換向閥1→三通-常開繼氣器-高低速離合器和踏板油門(放氣)這就實現了掛不正常吊環起鑽的自動停(剎)車控制。
另外，在ScR導通後紅色的指示燈ZD1發光指示;D4二極體反向接在電磁閥兩端，起保護ScR的作用;K1是帶有綠色指示燈ZD2的停(剎)車解除用「常閉」按鈕開關，它和電磁閥等被裝在司鑽操作箱上。
4.EC電源原理圖5中EC是一隻12V/140hA的鉛酸蓄電池(如6-Q-140)，由它負責向接收機及驅動執行電路供電。另外用汽車用的「感應子發電機」(如JWF-13型)及其附件組成了向電源EC充電的「充電機」，由於該種發電機是屬於無刷形式的，故不產生電火花。因此可以將它安裝在距離井口較近的自動壓風機處，這樣只要總離合器一合它就被觸動發電。
5.吊環限距開關K2(31)(直流紅外線式)電原理a、如圖2所示，它由電源EA/1.5V，鈕子開關K1和紅外線發光二極體D2(20)(如SP413/φ5)組成-直流紅外線的發光部分。D1是一隻紅顏色的發光二極體作為K1開關與否的照明指示燈。圖4是其電路印刷板。(注在平時不起鑽時應將K1關斷，而欲起鑽時應將K1合上)與D2(20)光偶合的是D3(22)(SP431/φ3)直流紅外線接收二極體。它們一同裝在「限距器」M端(21)的K2(31)總成內，由卡箍卡在一隻吊環(15)上的h處。而D3(22)管腳則用導線沿其吊環向上引到安裝在大鉤上的「檢測與非門及發射機」(25)電路板上的a和b兩點(見圖8和圖2)。
b、「限距器」K2(31)原理(結構)分析如圖14和圖8所示，K2(31)的擋光滑尺是用「2M鋼捲尺」做的，在約65cm刻度處開一條約為30×3的窄長縫，將其穿入「檢測頭」(21)的中間滑尺縫道，在「檢測頭」(21)的滑尺縫道兩側面有「同軸的兩個小孔」，分別裝入φ5-SP413的D2(20)和φ3-SP413的D3(22)。這樣由D2(20)射向D3(22)的紅外線光就要受到中間縫道內的「滑尺」的遮擋與否控制了。經實測當「滑尺」窄長縫「對準」D2(20)、D3(22)時-D3(22)受D2(20)照射，這時的RD3較小，約9.8KΩ;反之當「滑尺」的窄長縫離開D2(20)、D3(22)時，D2(20)射出的紅外線光被「滑尺」所擋住，這時RD3→∞，就相當於是K2的斷開。
c、「限距量」的調節在圖8和圖14中，「滑尺」的渦卷彈簧裝在有檢測頭等的M端(21);而在N端(17)有一個類似收卷或放回「滑尺」的「限距量」調節手輪(16)。手輪(16)平時靠其定位壓簧使手輪由「錐體軸」(33)與「錐體座」(35)、(38)的配合面摩擦力而定住位。當用力下壓手輪(16)後同時也就可以轉動它並進行調節了。
現以某一定的吊卡為例說明調定方法
(a)、將兩隻吊環(15)掛入吊卡的耳梁內，其中一隻就位於耳梁的凹部，而另一隻卻有意地掛在離耳梁的凹部O有一個距離S的P處，見圖15-a。這個S值就是所謂的「限距量」。(注這裡推薦的S值為10～40mm，原則上是，吊卡越大S也越大;反之，S取較小值)。
(b)、在確定好S值之後，合上K1(裝在M端)，此時裝在「檢測頭」(21)刻度線觀察窗口內的用作K1工作指示兼為-刻度線照明的二極體D1將被點亮。這樣在下壓手輪(16)並轉動的同時，觀察窗口內的「滑尺」刻度線與「檢測頭」(21)刻度線二者對齊後，鬆開下壓的手輪(16)，調節完畢。
S值反映到紅外線限距開關K2(31)的「滑尺」(就是圖15-b)上則為S′，當K2在吊環上的安裝位置h確定後，S/S′＝C。因此滑尺的左右移動就起到開關的作用了。
二、安裝調試等事項1.元件選擇K1為微型另加橡膠密封的鈕子開關。
K2為直流紅外線式的開關。當然也可以採用具有一段可以調節的OP即S′-機械式開關。
K3(K7)和K4(K8)(29)為雙聯「常開」且另加橡膠密封的微動開關，如JWL2-22。也可以採用由「間隙器」(30)帶動永磁體而進行控制的-雙聯「常開」幹簧管。
K6(23)是一「常閉」按鈕LA18-22Y另加橡膠密封，同時增加一段小壓簧於其端部用以增大按鈕的「工作行程」，使之能滿足K6預先調定到50mm的大鉤行程。同樣地也可以採用「幹簧管」開關代之。
R全部為功率1/4～1/2W金屬膜電阻。
L用收音機中周磁芯，φ0.07～0.08漆包線繞292～302匝。
電源EC的「充電機」原理圖中已註明，但也可以採用(～220V、≥500VA)的矽整流充電機，(注充電機僅作參考用)。
電磁閥開啟能力≥12MPa，通徑≥18mm(如DF型)。
所有的電器元件均應加橡膠層(甚至金屬外殼)以密封固定，隔離所產生的電火花及水、泥漿的侵汙。
2.安裝調試將圖3的電路板和電源EB(R20電池三組)等裝於塑料殼內，然後再把它裝入壁厚9～10mm的方形鋼製保護盒子裡(注此盒用電焊或M5螺釘數枚固定在大鉤上)，其盒蓋用M3螺釘且有密封用橡膠墊子。
而K2開關(31)的D3(22)兩管腳用導線引入盒裡，電路板的「輸出」則用導線引出接到發射管(六隻D4～D9)的「發射頭」(41～44)裡。
接收機等元件裝於一塑料盒裡，再密封固定在司鑽操作箱內，但指示燈ZD1、ZD2和剎車解除按鈕安在面板上，另外接收二極體D1(PH302-也可以二隻並聯)被安裝在「接收頭」(41～44)中-此頭固定在操作箱外面的頂部，並面對大鉤的「發射頭」。所以D1用雙芯屏蔽線引入操作箱內的塑料盒裡。
最後用示波或掃頻儀器測試CD4011的11腳，並調節W(微調電位器)。使f在38～40KHZ。再調L磁芯，使其L.C3諧振在f附近。
這樣就可進行「起鑽的-單危環」試驗了;[K2(31)、K3(K7)(29)、K4(K8)(29)、K6(23)]等的調試已在原理部分交待清楚了。
權利要求
1.防止「單吊環起鑽」自動控制裝置可用於鑽井作業鑽機上，它主要由安裝在大鉤上的紅外線信號發射機(25)，安裝在司鑽箱上的紅外線信號接收機、驅動電磁閥和原鑽機的「防碰天車」裝置組成，其特徵是二隻吊環上分別裝有一個檢測「單吊環」的「間隙器」(30)和一隻檢測「危險吊環」的「限距器」(31)，一隻發射機觸發(大鉤行程)開關K6(23)，與主電路板產生調製紅外線信號，而採用遙控(傳)方式的接收機，驅動電磁閥與剎車執行機構--即「防碰天車」裝置相連接。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵是壓縮氣源經驅動電磁閥與剎車執行機構(即防碰天車裝置)相連接，一旦發生「單(危)吊環起鑽」，電磁閥開啟立即實現緊急剎車。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵是「間隙器」(30)能把空吊環掛起來且形成一個可以調節的間隙δ，並由之來觸動開關K3(K7)或者K4(K8)(29)完成「單吊環與否」的檢測。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特徵是「限距器」(31)進行兩吊環水平間距的正常與否即「危險吊環」的檢測。
5.根據權利要求1、3、4所述的裝置，其特徵是由主電路板由一個所謂的「電子與非門」電路進行「單(危)吊環」與否的邏輯判斷。
6.根據權利要求1、5所述的裝置，其特徵是發射機觸發(大鉤行程)開關K6(23)，能夠避免在剛剛起鑽上提時大鉤的擺動因素而產生的誤動信號。
7.根據權利要求1、2、3、4、5、6所述的裝置，其特徵是採用調製紅外線遙控(傳)方式，使之具有很好的抗幹擾性能，可作防止掛「單吊環」和「危險吊環」兩種保護。
全文摘要
防止「單吊環起鑽」自動控制裝置，可用於鑽井鑽機上，如地礦。鹽業特別是油氣井的鑽控。在起下鑽中常因為操作失誤，而在剛上提時發生所謂的「單吊環」事故，其後果嚴重者將造成井廢人亡。本裝置可有效地消除「單吊環」及「危險吊環」兩種事故隱患。因採用了邏輯電路紅外線新技術，剎車裝置與原鑽機上的「防碰天車」共用。有工作可靠、結構簡單、易於實施之特點。
文檔編號E21B44/00GK1035865SQ8810191
公開日1989年9月27日 申請日期1988年3月17日 優先權日1988年3月17日
發明者吳洪波 申請人:吳洪波